[发明专利]一种铁电薄膜的周期性条带畴结构的表征方法

说明书

本发明公开了一种铁电薄膜的周期性条带畴结构及其表征方法，属于微纳表征技术领域，该方法包括以下步骤：脉冲激光沉积制备铁酸铋薄膜；通过X射线衍射仪表征其晶格常数，确定其为菱形相结构，利用压电蝴蝶曲线确认其铁电性良好和矫顽电压，通过原子力显微镜表征其形貌；运用矢量压电力显微镜表征纳米铁电薄膜中的周期性条带畴，采用精细的矢量压电力显微术分析方法确定其三维畴结构；使用导电原子力显微镜观测到条带畴的畴壁导电。通过本发明给出的铁电薄膜制备方法，可用于非挥发的、高密度的铁电随机存取存储器；同时，提供的表征方法能够准确给出周期性条带畴的三维畴结构及畴壁导电；为高密度的铁电存储器件开发及表征检测提供方案。

技术领域

本发明涉及微纳表征技术领域，具体涉及一种铁电薄膜的周期性条带畴结构的表征方法。

背景技术

铁电随机存取存储器具有低能耗、快写入、大得多的擦写次数等优点，有望成为下一代非挥发存储器。铁电存储要求铁电材料室温下具有很大的极化值、很强的压电响应，有利于开发、检测基于铁电材料的器件。其中，铁酸铋(BiFeO₃，简写为BFO)这种材料的居里温度和奈尔温度分别为370℃和830℃，同时具有反铁磁性和铁电性，(111)和(001)方向的剩余极化值为100μC/cm²和60μC/cm²，是很好的铁电和压电材料；目前，BFO薄膜大多呈现马赛克状的多畴结构，具有大面积、长度较长的条带畴结构的外延薄膜制备依然困难，无法满足市场对高密度铁电存储器件应用的需求。

铁电存储器利用的是极化翻反转，翻转机制由其铁电薄膜中的极化分布决定，同时极化分布也反映了其畴结构。为更好地理解和应用铁电薄膜的性质使得揭示其畴结构成为重要的研究课题。在铁电材料中，压电效应是铁电极化存在的一个直接证据；因而，基于扫描探针显微镜(scanningprobemicroscopy，SPM)的压电力显微镜(piezoresponse forcemicroscopy，PFM)是在纳米尺度研究极化分布不可或缺的工具，由此发展出的矢量PFM表征及分析方法可以重组铁电畴的三维极化分布；对于周期性条带畴，目前大部分相关文献都是给出条带畴的头尾相连的示意图，没有进行更加细致的分析。

BFO也是第一个在其薄膜中发现畴壁导电的材料，在传统绝缘材料中发现的导电通道，为铁电材料研究带来了丰富的物理。在含有马赛克状多畴结构的BFO薄膜中，往往是先通过探针极化构造长度较长的畴壁然后测得畴壁导电，而在自发生长的条带畴结构的薄膜中直接测得畴壁导电增强，这对铁电薄膜制备、表征提出了新要求。基于SPM的导电原子力显微镜(conductiveatomicforce microscopy，CAFM)可以用于研究铁电畴壁导电，给出电流的二维图像增强了表征方法的可视化度。畴壁导电的发现可以为集成电路中的布线提供思路，还有望用于研发基于阻变的存储器件。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种铁电薄膜的周期性条带畴结构的表征方法，为基于铁电材料的器件开发与检测提供思路。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铁电薄膜的周期性条带畴结构的表征方法，包括如下步骤：

S1：使用PLD方法制备BFO薄膜；

S2：物相表征研究BFO薄膜的晶相、形貌和铁电性；

S3：运用矢量压电力显微镜PFM对BFO薄膜表征，分析获得铁电条带畴的畴结构；

S4：采用导电原子力显微镜CAFM对BFO薄膜表征，获得铁电条带畴的畴壁导电。